CN108955958A - 螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其包括拉压力轴、扭转膨胀轴、滑轴、限位端盖、轴向形变环、上形变环、下形变环和支撑柱；使用时，当轴向力与扭转力耦合时，耦合的轴向力与扭转力使轴向形变环产生应力和上形变环或下形变环产生应力，使磁致伸缩材料产生应力，在施加的激励磁场的作用下产生逆效应，通过检测线圈检测其磁场变化，从而解决了现有力学结构传感器难以对拉或压与扭转力之间的耦合力测量进行分量求解拉力或压力和扭转力的问题。

Description

螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器

技术领域

本发明涉及一种螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，属于多维结构型传感器领域。

背景技术

在测量受力时由于拉力或压力常常与扭转力耦合，单一的传感器结构难以求解拉或压与扭转之间的力学分量。

现阶段的力学传感器大都需要连接电源供电，有线传输测量数据，这种传感器难以应用于医学人体植入型的应用方向。

植入人体的医学传感器需要能够有较高的续航能力，能耗低，尽量减少人体因为传感器的安装、续航等问题所带来的医疗创伤。

发明内容

本发明目的是提供一种螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其解决了现有力学结构传感器难以对拉或压与扭转力之间的耦合力测量进行分量求解拉力或压力和扭转力的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其包括拉压力轴、扭转膨胀轴、滑轴、限位端盖、轴向形变环、上形变环、下形变环和支撑柱；

所述拉压力轴的下端形成有法兰，所述轴向形变环包括上连接法兰部和下连接法兰部以及连接所述上连接法兰部和下连接法兰部之间的套筒部，所述套筒部上贴附有磁致伸缩材料；

所述限位端盖上沿其轴向方向形成有通孔，并且其下表面上还形成有圆形凹槽；所述限位端盖上的通孔与所述圆形凹槽的轴心线相同；

所述限位端盖的下端固定于所述轴向形变环的上连接法兰部上，通过该圆形凹槽使得限位端盖和轴向形变环之间形成环形凹槽，所述拉压力轴的法兰位于所述环形凹槽内，并且所述拉压力轴的法兰的轴向方向的厚度小于所述环形凹槽的轴向方向的厚度；

所述拉压力轴的上端穿过所述限位端盖的通孔，位于所述限位端盖的外部；

所述上形变环包括套筒状的上扭转检测部以及设置于所述上扭转检测部下端的上固定法兰部，所述上扭转检测部与所述上固定法兰部同轴设置；所述下形变环包括套筒状的下扭转检测部以及设置于所述下扭转检测部上端的下固定法兰部，所述下扭转检测部与所述下固定法兰部同轴设置；所述上扭转检测部和所述下扭转检测部上均贴附有磁致伸缩材料；

所述上形变环的上固定法兰部固定于所述轴向形变环的下连接法兰部上，并且通过所述支撑柱固定于所述下形变环的下固定法兰部上，并使得所述上扭转检测部和下扭转检测部位于所述上固定法兰部和下固定法兰部之间；

所述扭转膨胀轴的中部形成有膨胀部，所述膨胀部包括上圆台部、圆柱部和下圆台部；所述上圆台部的下端固定于所述圆柱部的上端，并且所述上圆台部的下端与所述圆柱部的直径相同；所述圆柱部的下端固定于所述下圆台部的上端，所述下圆台部的上端与所述圆柱部的直径相同；

所述拉压力轴的下端沿其轴线方向开设有滑槽，所述扭转膨胀轴的上端穿过所述上扭转检测部可滑动地设置于所述滑槽内，所述上扭转检测部与所述上圆台部的表面之间具有1-2mm的间隙；所述滑槽的横截面为方形，所述扭转膨胀轴的上端与所述滑槽的横截面的形状相同；

所述扭转膨胀轴的下端沿其径向方向开设有安装孔，所述安装孔内安装有滑轴，所述下固定法兰部的下端设置有套筒状的转动导向部，在所述转动导向部上形成有螺旋槽，所述扭转膨胀轴的下端穿过所述下扭转检测部，并位于所述转动导向部内，所述滑轴可滑动地设置于所述螺旋槽内。

可选的，所述的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器还包括支撑底座，所述支撑底座包括上支撑法兰、下支撑法兰和连接上支撑法兰和下支撑法兰的套筒状的连接部，所述上支撑法兰固定于下固定法兰，并使得转动导向部位于所述连接部内。

可选的，所述支撑柱的两端分别开设有螺纹孔，所述上形变环的上固定法兰部和下形变环的下固定法兰部上开设有通孔，螺钉穿过所述上形变环和下形变环的通孔，固定于所述支撑柱上。

可选的，所述支撑柱的数量为3个，3个所述支撑柱沿所述上固定法兰部的周向均匀分布。

可选的，所述螺旋槽的螺旋角为45°，且所述螺旋槽的头数为2。

可选的，所述安装孔贯穿所述扭转膨胀轴的下端，并且所述滑轴的直径小于螺旋槽的宽度以及安装孔的孔径；所述滑轴的长度大于所述转动导向部的外径，并小于连接部的内径。

本发明具有如下有益效果：本发明的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器具有以下优点：

一、本发明能够同时检测出耦合力中的轴向力和切向的扭转力的力学分量，即对耦合力进行结构解耦；

二、本发明支撑刚度大，串入义骨的支撑结构中，不影响义骨的刚度；

三、本发明不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；

四、本发明可应用在医学领域，人体植入型传感器方向，大大减少传感器植入人体后需在人体中埋线或二次手术的环节。

附图说明

图1为本发明的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器的结构示意图；

图2为本发明的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器的结构示意图；

图3为本发明的扭转膨胀轴的结构示意图；

图4为本发明的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器的剖视图；

图5为本发明的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器的爆炸结构示意图；

图中标记示意为：1-拉压力轴；2-扭转膨胀轴；21-上圆台部；22-圆柱部； 23-下圆台部；3-限位端盖；4-轴向形变环；41-上连接法兰部；42-套筒部；43- 下连接法兰部；5-支撑柱；6-支撑底座；7-滑轴；8-上形变环；81-上固定法兰部；82-上扭转检测部；9-下形变环；91-下固定法兰部；92-下扭转检测部；93- 转动导向部；94-螺旋槽。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，包括拉压力轴1、扭转膨胀轴2、滑轴7、限位端盖3、轴向形变环4、上形变环8、下形变环9、支撑柱5和支撑底座6。

所述拉压力轴1的一端(下端)形成有法兰，所述轴向形变环4包括上连接法兰部和下连接法兰部以及连接所述上连接法兰部和下连接法兰部之间的套筒部，本实施例中，所述套筒部上贴附有磁致伸缩材料，以当拉压力轴1沿其轴向运动时，会使得套筒部产生变形，从而检测拉压力轴所承受的拉应力或者压应力。

所述限位端盖3上沿其轴向方向形成有通孔，并且其下表面上还形成有圆形凹槽；所述限位端盖3上的通孔与所述圆形凹槽的轴心线相同。

所述限位端盖的下端(形成该圆形凹槽的一端)固定于所述轴向形变环4 的上连接法兰部上，保证限位端盖3与轴向形变环4连接刚度和紧密；并且，通过该圆形凹槽使得限位端盖3和轴向形变环4之间形成环形凹槽，所述拉压力轴1的法兰位于所述环形凹槽内，并且所述拉压力轴1的法兰的轴向方向的厚度小于所述环形凹槽的轴向方向的厚度，以使得所述拉压力轴1的法兰能够在所述环形凹槽内沿轴线方向运动。

并且，拉压力轴1的另一端(上端)穿过所述限位端盖3的通孔，位于所述限位端盖3的外部，以连接施加拉力、压力和扭矩的部件。

所述上形变环包括套筒状的上扭转检测部以及设置于所述上扭转检测部下端的上固定法兰部，所述上扭转检测部与所述上固定法兰部同轴设置；相似地，所述下形变环包括套筒状的下扭转检测部以及设置于所述下扭转检测部上端的下固定法兰部，所述下扭转检测部与所述下固定法兰部同轴设置；本实施例中，所述上扭转检测部和所述下扭转检测部上均贴附有磁致伸缩材料。

所述上形变环的上固定法兰部固定于所述轴向形变环4的下连接法兰部上，并且通过所述支撑柱5固定于所述下形变环的下固定法兰部上，本实施例中，所述支撑柱的两端分别开设有螺纹孔，所述上形变环的上固定法兰部和下形变环的下固定法兰部上开设有通孔，螺钉穿过所述上形变环和下形变环的通孔，固定于所述支撑柱上，并使得所述上扭转检测部和下扭转检测部位于所述上固定法兰部和下固定法兰部之间。

所述扭转膨胀轴的中部形成有膨胀部，所述膨胀部包括上圆台部、圆柱部和下圆台部；所述上圆台部的下端固定于所述圆柱部的上端，并且所述上圆台部的下端与所述圆柱部的直径相同；所述圆柱部的下端固定于所述下圆台部的上端，所述下圆台部的上端与所述圆柱部的直径相同；本实施例中，所述滑轴受所述螺旋槽的引导，通过该引导对所述扭转膨胀轴进行轴向的导向，上圆台部和下圆台部的倾斜角度应避免与上扭转检测部和下扭转检测部位产生自锁，例如，所述上圆台部和下圆台部的倾斜角度为45度。

所述支撑柱的数量为3个，所述三个支撑柱沿所述上固定法兰部的周向均匀分布。

所述拉压力轴1的下端(具有法兰的一端)沿其轴线方向开设有滑槽，所述扭转膨胀轴的上端穿过所述上扭转检测部可滑动地设置于所述滑槽内，此时所述上扭转检测部与所述上圆台部的表面在竖直方向上具有1-2mm的间隙，而且，所述滑槽的横截面为方形，所述扭转膨胀轴的上端与所述滑槽的横截面的形状相同，以当所述拉压力轴1沿其轴向运动时，所述拉压力轴1和扭转膨胀轴2之间能够相对滑动，并且当拉压力轴1转动时，能够带动所述扭转膨胀轴 2发生转动。

所述扭转膨胀轴的下端沿其径向方向开设有安装孔，所述安装孔内安装有滑轴，所述下固定法兰部的下端设置有套筒状的转动导向部，在所述转动导向部上形成有螺旋槽，所述扭转膨胀轴的下端穿过所述下扭转检测部，并位于所述转动导向部内，此时，所述滑轴可滑动地设置于所述螺旋槽内，以当所述扭转膨胀轴转动时，能够将通过所述滑轴和导向柱的配合，扭转膨胀轴的轴向运动，以压缩所述上扭转检测部和下扭转检测部，实现扭矩的测量；更优选地，所述螺旋槽的螺旋角为45°，以使得滑轴和螺旋槽之间不会产生自锁。

本实施例中，所述安装孔贯穿所述扭转膨胀轴的下端，并且所述滑轴的直径小于螺旋槽的宽度以及安装孔的孔径，并且所述滑轴的长度大于所述转动导向部的外径，并小于连接部的内径，本实施例中，所述滑轴的长度为25mm。

更优选地，所述支撑底座6包括上支撑法兰、下支撑法兰和连接上支撑法兰和下支撑法兰的套筒状的连接部，所述上支撑法兰固定于下固定法兰，并使得转动导向部位于所述连接部内。

本发明的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器在使用时，当拉压力轴 1受到轴向力，即拉力或压力，拉压力轴1将会在扭转膨胀轴2上滑动。拉压力轴1受拉向分力时将使限位端盖3受到压力同时导致轴向形变环4产生应力，或拉压力轴1受压向分力时导致轴向形变环4产生应力，轴向形变环4上的磁致伸缩材料产生应力，在施加的激励磁场的作用下产生逆效应，通过检测线圈检测其磁场变化。

当拉压力轴1受到扭转分力，会带动扭转膨胀轴2转动，同时扭转膨胀轴 2会带动与配合的滑轴，滑轴沿着下形变环的末端螺旋槽移动，受顺时针扭转时，滑轴沿螺旋槽转动带动扭转膨胀轴2向下形变环窜动，受逆时针扭转时，滑轴沿螺旋槽转动带动扭转膨胀轴2向上形变环窜动，扭转膨胀轴2的膨胀区由于轴向窜动挤压上形变环或下形变环，磁致伸缩材料产生应力，在施加的激励磁场的作用下产生逆效应，通过检测线圈检测其磁场变化。

当轴向力与扭转力耦合时，耦合的轴向力与扭转力使轴向形变环4产生应力和上形变环或下形变环产生应力，使磁致伸缩材料产生应力，在施加的激励磁场的作用下产生逆效应，通过检测线圈检测其磁场变化。

所述螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器受力时引起磁致伸缩材料贴附区域产生应力，从而在所述的激励线圈产生均匀的交变磁场中磁致伸缩材料在外应力作用下导致磁场变化，检测线圈检测磁场内的变化，继而转化为电信号来表示所受拉扭应力的情况。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其特征在于，包括拉压力轴、扭转膨胀轴、滑轴、限位端盖、轴向形变环、上形变环、下形变环和支撑柱；

所述拉压力轴的下端形成有法兰，所述轴向形变环包括上连接法兰部和下连接法兰部以及连接所述上连接法兰部和下连接法兰部之间的套筒部，所述套筒部上贴附有磁致伸缩材料；

所述限位端盖上沿其轴向方向形成有通孔，并且其下表面上还形成有圆形凹槽；所述限位端盖上的通孔与所述圆形凹槽的轴心线相同；

所述限位端盖的下端固定于所述轴向形变环的上连接法兰部上，通过该圆形凹槽使得限位端盖和轴向形变环之间形成环形凹槽，所述拉压力轴的法兰位于所述环形凹槽内，并且所述拉压力轴的法兰的轴向方向的厚度小于所述环形凹槽的轴向方向的厚度；

所述拉压力轴的上端穿过所述限位端盖的通孔，位于所述限位端盖的外部；

所述上形变环包括套筒状的上扭转检测部以及设置于所述上扭转检测部下端的上固定法兰部，所述上扭转检测部与所述上固定法兰部同轴设置；所述下形变环包括套筒状的下扭转检测部以及设置于所述下扭转检测部上端的下固定法兰部，所述下扭转检测部与所述下固定法兰部同轴设置；所述上扭转检测部和所述下扭转检测部上均贴附有磁致伸缩材料；

所述上形变环的上固定法兰部固定于所述轴向形变环的下连接法兰部上，并且通过所述支撑柱固定于所述下形变环的下固定法兰部上，并使得所述上扭转检测部和下扭转检测部位于所述上固定法兰部和下固定法兰部之间；

所述扭转膨胀轴的中部形成有膨胀部，所述膨胀部包括上圆台部、圆柱部和下圆台部；所述上圆台部的下端固定于所述圆柱部的上端，并且所述上圆台部的下端与所述圆柱部的直径相同；所述圆柱部的下端固定于所述下圆台部的上端，所述下圆台部的上端与所述圆柱部的直径相同；

所述拉压力轴的下端沿其轴线方向开设有滑槽，所述扭转膨胀轴的上端穿过所述上扭转检测部可滑动地设置于所述滑槽内，所述上扭转检测部与所述上圆台部的表面之间具有1-2mm的间隙；所述滑槽的横截面为方形，所述扭转膨胀轴的上端与所述滑槽的横截面的形状相同；

所述扭转膨胀轴的下端沿其径向方向开设有安装孔，所述安装孔内安装有滑轴，所述下固定法兰部的下端设置有套筒状的转动导向部，在所述转动导向部上形成有螺旋槽，所述扭转膨胀轴的下端穿过所述下扭转检测部，并位于所述转动导向部内，所述滑轴可滑动地设置于所述螺旋槽内。

2.根据权利要求1所述的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其特征在于，还包括支撑底座，所述支撑底座包括上支撑法兰、下支撑法兰和连接上支撑法兰和下支撑法兰的套筒状的连接部，所述上支撑法兰固定于下固定法兰，并使得转动导向部位于所述连接部内。

3.根据权利要求2所述的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其特征在于，所述支撑柱的两端分别开设有螺纹孔，所述上形变环的上固定法兰部和下形变环的下固定法兰部上开设有通孔，螺钉穿过所述上形变环和下形变环的通孔，固定于所述支撑柱上。

4.根据权利要求2所述的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其特征在于，所述支撑柱的数量为3个，3个所述支撑柱沿所述上固定法兰部的周向均匀分布。

5.根据权利要求4所述的螺旋维间解耦二维无线无源植入型传感器，其特征在于，所述螺旋槽的螺旋角为45°，且所述螺旋槽的头数为2。

6.根据权利要求5所述的螺旋维间解耦二维植入型传感器，其特征在于，所述安装孔贯穿所述扭转膨胀轴的下端，并且所述滑轴的直径小于螺旋槽的宽度以及安装孔的孔径；所述滑轴的长度大于所述转动导向部的外径，并小于连接部的内径。